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공학석사 학위논문
도시차원의 에너지 통합 운영 알고리즘 개발
Development of Energy Integrated Operating Algorithm in City Level
지도교수 도 근 영
2012년 2월
한국해양대학교 대학원
해 양 건 축 공 학 과
허 나 리
도 시 차 원 의 에 너 지 통 합 운 영 알 고 리 즘 개 발
2 0 1 2 년 2 월
허
나
리
공학석사 학위논문
도시차원의 에너지 통합 운영 알고리즘 개발
Development of Energy Integrated Operating Algorithm in City Level
지도교수 도 근 영
2012년 2월
한국해양대학교 대학원
해 양 건 축 공 학 과
허 나 리
本 論文을 許나리의 工學碩士 學位論文으로 認准함
위원장 박 동 천 (인) 위 원 송 화 철 (인) 위 원 도 근 영 (인)
2012년 2월
한국해양대학교 대학원
[목 차]
목 차 ··· ⅰ 표 목 차 ··· ⅳ 그림목차 ··· ⅴ Abstract ··· ⅶ
제1장 서 론 ··· 1
1.1 연구배경 및 목적 ··· 1
1.2 연구범위와 내용 ··· 3
제2장 에너지통합 운영시스템의 사례조사 ···5
2.1 전력공급 시스템 ···5
2.1.1 마이크로그리드 기술과 사례 ···5
2.1.2 스마트그리드 기술과 개발동향 ···8
2.2 집단 열 공급 시설 ···18
2.2.1 지역냉난방사업의 도입배경 ···18
2.2.2 지역냉난방사업의 역사 ···20
2.2.3 지역냉난방사업의 국내ᐧ외 현황 ···21
제3장 에너지 통합 운영 알고리즘 제안 ···24
3.1 에너지 통합 운영 시스템 개요 ···24
3.2 생산플랜트 ···26
3.2.1 태양광발전 ···26
3.2.2 풍력발전 ···29
3.2.3 소수력 ···32
3.2.4 바이오에너지 ···35
3.2.5. 석탄가스화 복합발전(IGCC) ···37
3.2.6 페기물 에너지 ···39
3.2.7 열병합발전 시스템 ···41
3.2.8 지역난방(지열, 하천) ···46
3.2.9 연료전지 ···52
3.2.10 부생가스 ···53
3.3 에너지 통합 운영 알고리즘 제안 ···59
3.3.1 에너지 통합 운영 알고리즘 ···59
제4장 에너지 통합 운영 알고리즘 개발 ··· 60
4.1 에너지 통합 운영 알고리즘 요소 ··· 60
4.2 에너지 생산 우선순위 ··· 62
4.2.1 전력 생산 우선순위 ··· 64
4.2.2 열원 생산 우선순위 ··· 66
4.2.3 생산 우선순위 알고리즘 ··· 67
4.3 태양광, 풍력 발전량 추정 ··· 71
4.3.1 태양광 발전량 추정 ··· 71
4.3.2 풍력 발전량 추정 ··· 76
4.4 축열량 결정 ··· 84
4.3.1 축열량 결정 알고리즘 ··· 85
4.3.2 축열 스케줄 결정 ··· 89
제4장 에너지 통합 운영 알고리즘 개발 ···62
4.1 에너지 통합 운영 알고리즘의 요소 ···62
4.2 에너지 생산 우선순위 ···64
4.2.1 전력 생산 우선순위 ···66
4.2.2 열원 생산 우선순위 ···68
4.2.3 생산 우선순위 알고리즘 ···69
4.3 태양광, 풍력 발전량 추정 ···73
4.3.1 태양광 발전량 추정 ···73
4.3.2 풍력 발전량 추정 ···78
4.4 축열량 결정 ···86
4.3.1 축열량 결정 알고리즘 ···87
4.3.2 축열 스케줄 결정 ···91
제5장 결 론 ··· 96
[참고문헌] ··· 99
표 목 차
[표 2.1] 스마트그리드 5대 실증사업 ···15
[표 2.2] 집단에너지사업 도입현황 ···21
[표 2.3] 2002년 지역난방부문 사업자별 공급현황 ···22
[표 2.4] 2002년 지역냉방부문 사업자별 공급현황 ···22
[표 2.5] 2001년 유럽국가 난방방식별 시장 점유율 ···23
[표 3.1] 풍력발전시스템의 분류 ···31
[표 3.2] 소수력 발전의 분류 ···34
[표 3.3] 우리나라의 소수력 발전 잠재력에 대한 평가 ···35
[표 3.4] 바이오에너지 생산기술의 종류 ···36
[표 3.5] 폐기물 신·재생에너지의 종류 ···40
[표 3.6] 열병합발전용 원동기의 특성 비교 ···42
[표 3.7] 포항, 광양제철소의 부생가스 배출량(1991년) ···53
[표 3.8] 부생수소의 발생원과 생성 가스 내 수소 농도 ···56
[표 3.9] 온실가스 종류별 배출현황(단위: 백만 TC) ···57
[표 4.1] 발전원별 발전단가 ···65
[표 4.2] 전력 플랜트 생산 우선순위 ···66
[표 4.3] 열원 플랜트 생산 우선순위 ···68
[표 4.4] 태양전지 사양 ···73
[표 4.5] 날씨와 운량과의 관계 ···75
[표 4.6] 2009년 7월의 전일사량 ···76
[표 4.7] 2009년 7월의 예측에 의한 발전량 ···77
[표 4.8] 풍력발전기의 크기 ···78
[표 4.9] 풍력발전기의 풍속별 발전량 ···79
[표 4.10] 풍력발전기 제원 ···81
[표 4.11] 600kw급, 2MW급 대형 발전기의 블레이드 높이에서의 측정풍속과 보정풍속···82
그 림 목 차
[그림 1.1] 연구 흐름도 ···4
[그림 2.1] 열을 트럭으로 수송하는 트랜스 히트 컨테이너 ···7
[그림 2.2] 스마트그리드 개념 ···8
[그림 2.3] 지능형 전력망 구성 요소 ···9
[그림 2.4] 지능형 소비자 구성 요소 ···10
[그림 2.5] 지능형 운송 요소 ···11
[그림 2.6] 지능형 신·재생 구성 요소 ···12
[그림 2.7] 지능형 전력서비스 구성 요소 ···13
[그림 3.1] 기존의 에너지 공급 시스템 개념도 ···24
[그림 3.2] 도시 에너지 통합관리·운영 개념도 ···25
[그림 3.3] 태양광발전의 원리 구성도 ···26
[그림 3.4] 태양광 발전 시스템의 분류 ···27
[그림 3.5] 태양전지의 원리 ···28
[그림 3.6] 태양전지 종류 ···29
[그림 3.7] 풍력발전시스템의 구성 ···30
[그림 3.8] 수력발전의 구조 ···33
[그림 3.9] 수력발전의 에너지 흐름 ···33
[그림 3.10] 바이오에너지 생산과정 ···36
[그림 3.11] 석탄가스화 복합발전의 구성도 ···37
[그림 3.12] 폐기물의 에너지화 체계도 ···39
[그림 3.13] 연중 외기 온도 및 지중 온도 변화(2003~2004) ···47
[그림 3.14] 수직형 지중 열교환기 ···49
[그림 3.15] 수평형 지중 열교환기 ···49
[그림 3.16] 지하수열원 열펌프 시스템 ···50
[그림 3.17] 지표수열원 열펌프 시스템 ···50
[그림 3.18] 연료전지의 발전방식 ···51
[그림 3.19] 연료전지 발전시스템 구성도 ···52
[그림 3.20] Energy 통합 운영 알고리즘 ···59
[그림 4.1] 발전원별 CO₂배출량 ···64
[그림 4.2] 전력 생산 우선순위 알고리즘 ···70
[그림 4.3] 열 생산 우선순위 알고리즘 ···71
[그림 4.4] 일기예보에서 나타내는 날씨정보 ···75
[그림 4.5] 풍력발전기의 출력성능곡선 ···78
[그림 4.6] 2011년 11월 19일의 일기예보 (출처 : 기상청 제공) ···79
[그림 4.7] 600kw 대형 풍력발전기 ···80
[그림 4.8] 출력성능곡선(S52-0.6, S82-1.5) ···81
[그림 4.9] 출력성능곡선(U88-2.0, U54-0.75) ···81
[그림 4.10] S52-0.6MW의 보정풍속 ···83
[그림 4.11] U88-2MW의 보정풍속 ···83
[그림 4.12] 2009년 07월 05일의 U88, S52의 발전량 ···84
[그림 4.13] 축열량 결정 알고리즘 ···87
[그림 4.14] 축열 알고리즘 1 ···88
[그림 4.15] 축열 알고리즘 2 ···88
[그림 4.16] 축열 알고리즘 3 ···89
[그림 4.17] 1월의 전력 생산 스케줄 ···91
[그림 4.18] 1월의 열 생산 스케줄 ···91
[그림 4.19] 7월의 전력 생산 스케줄 ···92
[그림 4.20] 7월의 열 생산 스케줄 ···92
[그림 4.21] 4월의 전력 생산 스케줄 ···93
[그림 4.22] 4월의 열 생산 스케줄 ···93
[그림 4.23] 11월의 전력 생산 스케줄 ···93
[그림 4.24] 11월의 열 생산 스케줄 ···94
Development of Energy Integrated Operating Algorithm in City Level
Heo, Na-Ri
Department of Ocean Architecture Engineering
Graduate School of Korea maritime National University, Busan, Korea
Abstract
The purpose of this paper is to develop algorithm of using and operating energy effectively from the entire city.
To realize "Low Carbon, Green City", some techniques related to reducing energy of existing buildings have been used for energy saving. However, there is the limitation of reducing carbon dioxide emissions in the entire city and energy consumption. Through the renewable energy which has less carbon dioxide emission, it is to reduce carbon dioxide emission for the realization of "Low Carbon, Green City".
It is needed to realize "Next-Generation Energy System in City Level". Through energy infrastructure and the effective management, it is possible to reduce energy consumption. I develop the operation of this system.
The research methods and procedures of this study are as follows.
First, I investigated two systems. One is the micro grid and smart
grid of power system which is energy integration operating system.
The other is district heating and cooling of heat source system.
Second, I described "Next-Generation Energy System in City Level"
which is suggested in this study and described energy source of operating plant. And it is presented energy integrated operating algorithm in city level.
Third, this study describes three elements which configured algorithm. First element is to determine the production priority of energy source from lowest carbon emission and lowest power cost.
Next element was to forecast power forecasting of photovoltaic and wind power generation. Photovoltaic predicts using "Predict Solar Radiation According to Weather Report" and Prediction equation of output capability diagram from wind power generation’s generator. The last element, storage of heat shows from the decision of prediction of regenerative power and heat demand forecasting, prior to 24 hours from the decision.
제1장 서 론
1.1 연구배경 및 목적
전 지구적인 기후변화와 지구 온난화에 따라 서구 선진 국가들을 중심으로 저탄소 녹색성장(green growth)이 새로운 화두로 등장하고 있고 이 전략은 미래의 성장 동력으로까지 발전되고 있다. 지구 온난화에 대한 대응의 하나인 저탄소 사회를 달성하기 위하여 세계 각국은 교토의정서를 체결하고 온실가스 배출량을 2008년부터 2012년까지 1990년도 수준의 5.2%로 줄이도록 선언 하였다.
우리나라는 교토의정서에서 의무감축대상국가에 속하지 않지만 포스트-교토 (Post-Kyoto)인 2013년부터는 의무대상국가에 포함될 가능성이 높은 상황이다.
이 같은 추세에서 우리나라도 국가 뉴 비전으로 「저탄소 녹색성장」을 제시 하였고, 이를 견인하기 위해 도시전체의 에너지 환경 문제를 고려한 탄소중립 의 친환경 도시개발 패러다임이 대두되고 있다.
한편, 건축물을 대상으로 한 고단열, 고기밀 등의 건축계획적인 기법과 기기의 고효율화 및 이용자의 에너지 절약의식 향상 등을 통한, 즉 건축적인 저감 방법으로 도시 전체의 탄소 배출량 및 에너지 사용량 저감에는 한계가 있다.1) 또한, 다양한 방법을 통해 에너지 사용량을 줄인다고 하더라도 현재 도시의 쾌적성, 편리성을 유지하기 위해 필요한 에너지를 0으로 하기는 어렵다. 따라서 도시의 에너지 인프라 구축을 통한 에너지 사용량 절감과 도시의 운영에 필요한 에너지 생산에 따른 탄소 발생량 저감이 필요하다. 즉, 「저탄소 녹색도시」를
1) 한국해양대하교 산학협력단, U-기반 차세대에너지 통합관리· 운영시스템 기술 개발 1단계 연 구결과보고서, 건설교통부 한국건설교통기술평가원,2010.04.29,p2
구현하기 위해 탄소배출량이 적은 신·재생에너지 활용 등을 통해 탄소 발생량 을 저감하며 에너지 인프라와 효율적 관리 운영을 통해 에너지 소비량을 저감 할 수 있는 “도시차원의 차세대에너지 시스템” 구축이 필요하다.
기존의 에너지 공급시스템 중, 전기는 발전소에서 도시역의 변전소를 거쳐 각 사용자에게 공급되고 있으며 전기공급의 모니터링과 제어를 위해 SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)와 EMS (Energy Management System)가 구축되어 있으나 이는 도시역의 변전소까지를 대상으로 하고 있으며, 도시 내의 전기 흐름에 대해서는 모니터링이나 제어를 하지 않고 있다. 또한, 신․재생에너지원을 포함한 분산 전원 시스템에 대한 고려가 미흡하여 분산전원과 기존 전력계통의 연계 방안, 분산전원을 고려한 도시내의 최적 전력공급 모델, 도시차원의 에너지 모니터링 시스템의 부재라는 문제점을 안고 있다.2)
열원공급 시스템은 지역난방공사에 의해 운영되고 지역난방 플랜트나 열병합 발전 플랜트에서 사용자에게 공급되고 있으나, 도시 전역을 대상으로 하는 것이 아니기 때문에 열밀도가 높아 경제성이 있는 아파트, 오피스 등의 밀집 지역 만을 대상으로 열원을 공급하고 있는 상황이다.
“도시차원의 차세대에너지 시스템”을 구축하기 위해서는 도시계획 단계에서 정확한 에너지 사용량을 예측하고, 예측치에 따라 적정 공급량을 계획하며, 지역특성에 적합한 신·재생에너지를 활용하는 에너지 플랜트를 계획해야 한다.
또한, 구축된 차세대 에너지 시스템을 효율적으로 운영하기 위한 알고리즘이 필요하다.
본 연구는 도시차원의 차세대 에너지 시스템의 에너지 통합 운영을 효율적 으로 하기 위한 알고리즘 개발을 목적으로 하고 있다.
2) 한국해양대하교 산학협력단, U-기반 차세대에너지 통합관리· 운영시스템 기술 개발 2차년도 연구결과보고서, 건설교통부 한국건설교통기술평가원,2009.06.29,p8
1.2 연구범위와 내용
본 연구는 도시차원의 에너지 통합 운영 알고리즘을 개발하기 위해 그림 1.1 과 같은 흐름으로 연구하였다.
1장에서는 연구의 목적과 에너지 통합 운영의 필요성에 대해 기술 하였다.
2장에서는 기존이 있거나 개발중인 에너지 운영 시스템 중에서 전력계통의 스마트그리드와 마이크로그리드, 열원 계통인 지역냉난방에 대해 조사, 분석하 여 도시차원의 에너지 통합 운영 알고리즘 개발 방향을 검토하였다.
3장에서는 도시차원의 차세대 에너지시스템과 에너지 통합 관리 운영 시스 템에 대해 정리하고 에너지 통합 관리 운영 알고리즘을 제시하였다.
4장에서는 제시한 에너지 통합 관리 운영 알고리즘을 실행하기 위해 필요한 에너지 생산 우선순위 결정, 에너지 생산량 예측 및 축열량 결정 방법에 대해 검토하였다.
5장에서는 도시차원의 탄소배출량을 저감하기 위한 시스템을 운영하는 알고 리즘에 대해 종합적 내용으로 정리하였다.
서 론
에너지 통합 운영 시스템 사례조사
에너지 통합 운영 시스템 개요 - 전력공급 시스템
- 집단 열 공급 시스템
- 개요
- 생산플랜트
에너지 통합 운영 시스템 제안
에너지 통합 운영 시스템 개발
에너지 생산 우선순위
태양광,풍력
발전량 추정 축열량 결정
결 론
[그림 1.1] 연구 흐름도
제2장 에너지통합 운영시스템의 사례조사
2.1 전력공급 시스템
2.1.1 마이크로그리드 기술과 사례
마이크로그리드는 다수의 소규모 분산전원과 부하의 집합체로서 기존의 전력망과 연계 혹은 분리 운전될 수 있는 소규모 전력망으로 정의할 수 있으며 분산전원기술, 에너지저장기술, 전력망 운용기술, 통신기술, 제어기술이 통합된 미래혁신적인 전력공급기술로 받아들여지고 있으며 이 기술이 주목을 받는 이유는 기술이 가진 환경적, 경제적, 사회적 가치에 기인한다.3)
가. 에너지공급시스템으로서의 마이크로그리드
일본의 시미즈(Shimizu) 프로젝트는 건물 단위의 열병합 발전이 가능한 마이크로그리드의 가능성을 실증한 연구이다. 건물을 대상으로 가스엔진, 축전지 및 슈퍼캐패시터, 태양광발전을 결합하여 전기와 열을 동시에 공급할 수 있도록 구성하였다. 연구의 목적은 분산전원이 계통에 미치는 영향을 최소화 할 수 있는 수단으로서 마이크로그리드의 기능에 대한 시험이었으며 이는 연계점에서의 전력 유입/유출을 일정하게 제어함으로서 구현되었다. 축전지와 슈퍼캐패시터를
3) 한국해양대학교 산학협력단, U-기반 차세대에너지 통합관리· 운영시스템 기술 개발 2차년도 연구결과보고서, 건설교통부 한국건설교통기술평가원, 2009.6.29,pp97~100
이용하여 부하변동이나 신·재생전원의 간헐적인 출력을 내부적으로 흡수하여 연계점의 전력을 일정하게 제어하는 것이다. 이와 같은 제어를 통하여 건물에서의 합리적인 에너지 비용을 구현할 수 있으며 가스엔진의 제한된 출력응답속도를 축전지와 캐패시터를 결합하여 해결하였다. 마이크로그리드 EMS는 열수요와 전력요금 등의 정보로부터 전력을 구입할 것인지 자체 열병합발전기를 통해 발전할 것인지를 결정하는 것에 의해 에너지 비용의 최적화가 가능하게 된다.4)
나. 다품질전력공급으로서의 마이크로그리드
센다이(Sendai) 프로젝트는 대학 구내에 설치된 1MW 규모의 분산발전원과 에너지저장장치 및 전력품질보상장치를 이용한 다품질 전력공급시스템에 대한 실증적 연구로서 가스엔진, 연료전지, 태양광 등의 분산전원을 이용하고 BESS와 DVR를 이용하여 다양한 등급의 전력품질을 제공하고 있으며 일부는 직류전원을 공급하는 것도 시험하였다. 이와 같이 마이크로그리드는 내부에 보유한 분산자원을 이용하여 부하가 요구하는 특성의 전력품질을 효과적으로 제공할 수 있는 기술이다.
가와사키(Kawasaki)시 공업단지는 철강 메이커로부터 조달하고 있는 자가 발전력으로 에너지 절약 대책을 강화한다. 그리고 열병합 발전이나 열 수송 시스템이라고 하는 마이크로그리드를 지지하는 차세대 기술도 보급을 위하여 준비하고 있다. 가와사키 제로이미션(Zero Emission) 공업단지(가와사키 시 가와사키 구)는 인근에 있는 JFE 스틸의 자가 발전 설비로부터 잉여 전력의 공급을 받아 각 공장동에 배전하고 있다. 자가 발전을 사용 전력의 기본으로 전력회사의 전력 계통의 정전 영향을 받는 리스크는 낮다. 또한 사무동의 냉난방이나 열처리 에너지에 가스를 활용하는 등 에너지원의 ‘복선화’를 적극적 으로 추진하고 있다. 에너지의 분산화와 복선화는 스마트 그리드의 특징으로 4) 안종보, 마이크로그리드 운영기술과 국내 연구 동향, 전력전자학회, 2010년 4월, p28
그 에너지원의 하나인 공장 등에서 배출하는 열을 전력으로 변환하는 기술이 실용화 단계에 들어가고 있다. 일본 기업 고마쯔(Komatsu)와 쇼와(Showa) 전공은 각각 열을 전기로 변환하는 소자를 개발하여 실증 실험을 진행시키고 있다. 고마쯔는 열처리 장치에서 나오는 저온도역(100∼300℃), 쇼와전공은 폐기물의 소각로 등에서 발생하는 중온도역(300∼600℃) 대응의 소자를 개발 하여 열전변환 효율은 고마쯔가 약 7%, 쇼와 전공이 약 6%로 태양전지 패널과 비교하여 변환 효율은 높지 않지만 열 활용을 다양화함으로써 분산화하는 에너지원의 이용 효율을 올리는 것이 가능하게 된다. 열은 전기와 같이 보내 거나 저장하는 것이 어려운 점이 이용을 저해하고 있다고 지적된다. 하지만 축전지와 같이 열을 탱크에 저장하여 수송하는 기술을 산키(Sanki) 공업이나 고베(Kobe) 제강소 등이 확립하여 일부 사업화가 시작되고 있다. 물과 외기 등의 온도차를 이용하는 시스템인 히트펌프나 열교환기에서로 지역 냉난방과 조합하여 효율이 좋은 에너지 이용을 기대할 수 있다. 지금까지 산학관에 의한 스마트 그리드 도입의 논의가 시작되어 전력에 대한 검토가 주체였지만 향후 스마트 그리드를 구성하는 요소의 하나로서 열의 이용을 추진할 것이라고 한다.5)
[그림 2.1] 열을 트럭으로 수송하는 트랜스 히트 컨테이너
5) 마이크로 그리드 보급 -자가 발전 열을 활용
http://www.nikkan.co.jp/toku/smartglid/sg20110615-01n-220ps.html
2.1.2 스마트그리드 기술과 개발동향
가. 스마트그리드 기술
스마트그리드 기술은 '발전(發電)-송전·배전-판매'의 단계로 이루어지던 기존의 단방향 전력망에 정보기술을 접목하여 전력 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환함으로써 에너지 효율을 최적화하는 '지능형 전력망'을 가리킨다.
발전소와 송전·배전 시설과 전력 소비자를 정보통신망으로 연결하고 양방향으로 공유하는 정보를 통하여 전력시스템 전체가 한 몸처럼 효율적으로 작동하는 것이 기본 개념이다.6)
[그림 2.2] 스마트그리드 개념 (출처: (재)한국스마트그리드사업단 )
이는 국가 에너지소비의 3%절감(전기에너지의 10%) 및 태양광·풍력 등 전력생산이 불규칙한 신·재생발전원의 보급 확대 기반조성과 CO₂배출량 41백만 톤 감축 및 전기차 보급인프라 구축이 가능하다.
6) 스마트 그리드 벽을 넘어라, 환경일보, 2009년 09월 25일,
http://www.hkbs.co.kr/hkbs/news.php?mid=1&r=view&treec=131&uid=160409
스마트 그리드 기술은 전력망 부문, 소비자 부문, 전기자동차 및 운송 부문, 신·재생에너지 부문, 그리고 전력서비스 부문 등 5개 부문으로 구분할 수 있다.7)
[그림 2.3] 지능형 전력망 구성 요소 (출처: (재)한국스마트그리드사업단 )
지능형 전력망 기술은 기존의 전력망에 정보 · 통신 기술을 접목하여 전력망의 신뢰도 및 운용 효율을 향상시키는 기술이며 지능형 송전시스템, 지능형 전력기기, 지능형 전력통신망 기술로 구성된다. 스마트그리드 구현을 위해서는 특히 전통적인 전력기술과 결합하는 통신기술의 개발 및 이를 실제 계통에 적용하는 상용화 전략이 요구된다. 지능형 송전시스템은 초전도, FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System), HVDC(High Voltage Direct Current), WAMS, WACS, 디지털 변전시스템 등 지능형 전력기기를 적용하여 친환경, 고효율, 고신뢰성과 자동복구능력을 갖춘 미래 송전시스템이다. 지능형 배전시스템은 분산전원, AMI, 스마트개폐기 및 PCS 등 다양한 배전급 지능형전력기기를 적용하여 고품질, 고신뢰성 및 자동복구능력을 가진 미래 배전시스템이다. 지능형 전력기기는 지능형 전력망의 구성요소인 초전도, FACTS, HVDC, WAMS, 7) 고동수, 주요국의 스마트그리드 추진 현황과 정책적 시사점, 산업연구원, 2011, p21
WACS, 디지털변전시스템, AMI, 스마트개폐기 및 PCS 등 신 전력기기를 통칭한다. 지능형 전력통신망은 지능형 전력기기 및 지능형 전력망을 감시, 제어, 운영하는 신경회로에 해당하는 유 · 무선방식의 전력통신망을 통칭한다.8)
[그림 2.4] 지능형 소비자 구성 요소 (출처: (재)한국스마트그리드사업단)
지능형 소비자 기술이란 소비자 측에 양방향 통신망의 AMI 시스템을 구축하여 전력의 수요 · 공급 정보에 따라 전력소비를 최적화하고 전력망의 효율을 높이고자 하는 기술로 AMI (Advanced Metering Infrastructure), 에너지 관리시스템 (EMS: Energy Management System), 양방향 통신 네트워크 기술 등이 있다.
AMI 기술은 양방향 통신망을 이용하여 전기 등의 에너지 사용에 대한 검침, 사용 정보 수집 뿐 만이 아니라 개별에너지 기기에 대한 능동적 제어가 가능한 기술 이다. EMS 기술은 전기 등의 에너지 사용에 대한 모니터링, 제어 및 최적화를 구현하는 시스템 기술로서 가정, 빌딩, 공장 등에 적용이 가능하다. 양방향 통신네 트워크 기술은 소비자와 공급자 양방향으로 에너지 사용 및 제어 데이터 등을 자유롭게 전달할 수 있는 기술로서 다양한 유 · 무선 통신방식이 적용된다.9) 8) (재)한국스마트그리드사업단 http://www.smartgrid.or.kr/09smart2-6-5.php
9) (재)한국스마트그리드사업단 http://www.smartgrid.or.kr/09smart2-6-5-1.php
[그림 2.5] 지능형 운송 요소 (출처: (재)한국스마트그리드사업단)
지능형 운송 기술이란 전력망과 전기자동차가 상호 자유롭게 접속하여 전력 망의 효율을 높이고 온실가스 배출량을 감축시키는 기술을 총칭하는 것으로, 충전 인프라 기술, V2G 기술, 부품 · 소재 기술 등이 있다. 충전 인프라 기술은 전기차에 효율적으로 전기를 공급하기 위한 급속 · 완속 충전기, 충전 인터페이스 부품 및 인증 · 과금 등을 위한 전기차 ICT 서비스 시스템을 구축하는 기술 이다. V2G 기술은 전력망과 전기자동차 배터리 전원을 연계하여 양방향으로 전력을 전송 · 역송하는 기술로서 실시간 시장요금에 근거하여 효율적인 계통 연계 및 운용 방안을 구축하는 기술이다. 부품 · 소재 기술은 소형 및 중대형 전기차 핵심 부품 및 소재에 해당하는 전기모니터, 배터리, 배터리 성능진단 시스템 등을 개발하는 기술이다.10)
지능형 신·재생에너지 기술이란 다양한 신·재생에너지를 사용하여 발전된 전력의 보급을 어렵게 하는 기술적인 장벽을 극복하여 신·재생전원을 기존의 전력망에 안정적으로 연계하는 기술을 의미하며, 마이크로그리드(Micro Grid), 10) (재)한국스마트그리드사업단 http://www.smartgrid.or.kr/09smart2-6-5-2.php
에너지저장장치(ESS: Endergy Storage System), 전력품질 보상기술, 전력거래 인프라 기술 등이 있다. 에너지저장 기술은 배터리, 플라이휠, 압축공기저장장치 등 에너지저장 매체 기술 및 운용하는 기술을 말하며 전력품질 보상 기술은 신·재생발전원의 급격한 출력 변동과 전력조류 변경에 기인한 계통 전압과 주 파수 변동을 억제하는 전력품질 유지기술이다. 전력거래 인프라 기술은 실시 간 전력요금제에 의한 전력의 입찰 및 발전량 계랑을 위한 통신체계와 분산된 발전원 제어체계이다.11)
[그림 2.6] 지능형 신·재생 구성 요소 (출처: (재)한국스마트그리드사업단)
지능형 전력서비스 기술이란 여러 가지 전기요금제도를 개발하고 소비자 전력거래시스템을 구축하여 전력망의 효율을 증대시킴으로써 수요반응 및 지능형 전력거래 등 당양한 비즈니스를 가능하게 해 주는 기술을 의미하며, 실시간요금제(RTP), 수요반응(DR), 전력거래 기술 등이 있다. 실시간 요금제 기술은 변화하는 요금정보를 소비자에게 실시간으로 전달하여 전력수요의 가격반응을 유도하는 기술이며 수요반응 기술은 전력가격 및 시스템 상황에
11) (재)한국스마트그리드사업단 http://www.smartgrid.or.kr/09smart2-6-5-3.php
반응하여 소비자가 전력소비를 조정하도록 유도하여 시스템의 신뢰도 향상과 비용절감을 추구하는 기술이다. 전력거래 기술은 수요와 공급의 다양한 참여자가 각기 보유한 전력자원을 자유롭게 거래하여 에너지 효용을 극대화하는 기술이다.12)
[그림 2.7] 지능형 전력서비스 구성 요소 (출처: (재)한국스마트그리드사업단)
나. 국내 스마트그리드 기술개발 동향
1) 국가단위의 스마트 그리드 로드맵 수립
저탄소 녹색성장 추진의 일환으로 정부는 녹색성장위원회 주도로 서머타임제 도입, LED, 그린 오피스와 함께 지능형 전력망 등 4개 정책과제를 제시하였다.
이 방안에 따르면 2020년 까지 소비자측 지능화를 완료하고 2030년까지 세계 최초로 국가단위의 지능형 전력망 구축 완료를 목표로 하고 있다. 이에 따라 정부는 한전, 전력거래소, 학계 등과 함께 민관공동으로 2009년 3월 지능형 전력망 로드맵을 수립 중이며 법제도 정비 · 기술개발 · 투자 · 보급 · 수출계획
12) (재)한국스마트그리드사업단 http://www.smartgrid.or.kr/09smart2-6-5-4.php
등을 담은 Total Solution 로드맵을 제작하고 있다.13)
2) 전력 IT 10대 과제
우리나라는 2005년부터 총 2,532억원을 투입하여 전력산업 분야에서의 신 성장동력을 육성하기 위하여 전력IT 10대 과제를 선정하여 기술개발을 추진하여 왔으며, 전력 IT 10대 과제 중에서 5개 과제 성과물이 현재 제주도 실증사업에 적용되고 있다. 국내의 스마트그리드 기술수준의 경우 AMI, 스마트미터, 모니터링 설비 등은 선진국과 동등한 수준이나, 수요반응 및 전기자동차 관련 기술수준은 상당히 뒤처져 있는 상태이다.14)
3) 스마트그리드 실증단지 구축
전력망 기술은 전력수급 및 전력품질에 직접적인 영향을 미칠 수 있으므로 계동에 실적용 되기 위해서는 그 안정성 및 호환성이 충분히 입증될 필요가 있다. 따라서 현재 정부는 전력IT 개발시제품 및 기술을 상호연동시험하고 전국 전력계통에 적용할 수 있도록 통합실증단지 구축을 추진 중에 있다. 실증지역 으로는 계통의 안정성과 신·재생에너지 자원의 풍부함 등을 이유로 제주시 구좌읍이 선정되었으며, 주택, 상업시설 등 총 6,000여 세대에 전력을 공급 중인 2개 변전소, 4개 배전선로를 대상으로 하고 있다. 사업범위는 풍력 등 신·재생 에너지 연계시스템을 구축하고 전기자동차용 충전인프라가 시범구축 · 운영될 예정이다. 또한, 정부는 스마트미터를 설치하고 수용가가 이를 활용하여 에너지절약 및 전력거래에 참여할 수 있도록 AMI (Advanced Metering Infrastructure) 13) 천영길, 스마트그리드 구축을 위한 전력저장기술 및 제도적 개선방안 연구, 한양대학교(석
사논문), p23
14) 고동수, 주요국의 스마트그리드 추진 현황과 정책적 시사점, 산업연구원, 2011, p34
시스템을 구축하는 등 5대 분야에 대해 실증 및 비즈니스모델을 개발할 계획이다.15)
분야 사업개념 및 범위 정부지원예산
Smart Place
<소비자중심의 에너지효율화>
-AMI 구축을 통해 최대전력절감, 자동화된 에너지관리
200억
Smart Transport <전기자동차 보급인프라 구축>
- 충전소설치, 통신기반플랫폼 구축 150억
Smart Renewable <녹색에너지 활용기반 구축>
- 마이크로그리드 운영플랫폼 구축 100억
Smart Powergrid <지능형 송/변/배전망 구축>
- 실시간 정보수집, 제어, 자동복구 195억
Smart Electricity Service <신전력서비스 활성화>
- 다양한 요금제 및 시장기능개발 60억
실증단지마스터플랜 실증단지 통합운영계획 수립 · 관리 20억
[표 2.1] 스마트그리드 5대 실증사업
다. 국외 스마트그리드 기술개발 동향16)
1) 미국의 스마트그리드
미국은 뉴욕 대정전 발생을 계기로 전력관제시스템의 취약성과 에너지 안보 적 문제점을 각인하고 51개의 기업, 연구소가 참여하여 전력산업의 현대화를 위한 GRID2030 계획을 수립하였으며 정책적 배경, 시장 배경, 기술적 배경에 기초하여 “언제, 어디서나 풍부하고, 저렴하고, 깨끗하고, 효율적이고, 믿을 수 있는 전력의 공급”을 목표로 하고 있다. Grid 2030 비전 발표를 통해 미국은 세계 최초로 21세기 전력시스템에 대한 국가 단위 비전을 제시하였다. 그리드
15) 스마트그리드 구축을 위한 전력저장기술 및 제도적 개선방안 연구, p25 16) (재)한국스마트그리드사업단 http://www.smartgrid.or.kr/09smart2-1d.php
현대화를 통해 에너지안보 및 에너지의 이용효율 향상을 추진키로 하였으며, 이것은 2007년에 에너지부 주관으로 제정된 ‘에너지 독립 및 안보에 관한 법률’에 성문화 되어 연구개발, 투자비 보조 등 법적 지원체계를 갖추게 되었다. 특히, 오바마 정부는 세계적인 환경보호와 경제위기 극복을 위해 환경을 지키면서 일자리를 창출할 수 있는 녹색뉴딜 정책을 표방하면서 그 일환으로 스마트 그리드분야에 매년 45억불을 투자하기로 결정하였다. 현재 콜로로도 볼더시에는 세계 최초로 스마트그리드 시범도시가 구축되어 있으며 세계 시장 선점을 위해 확대를 계획 중이다. World Energy Outlook은 스마트그리드가 2030년까지 전세계 전력설비를 신설 및 교체하는 과정에서 약 10조 달러의 시장을 창출할 것이라고 예측하고 있으며, 네덜란드 전기시험소(KEMA)는 미국이 2009년~2012년 동안 스마트그리드에 지출하는 160억 달러는 향후 640억 달러의 가치가 있는 스마트 그리드 프로젝트를 추진하는 기폭제로 작용할 것으로 예측하고 있다. 이들 프로젝트의 효과는 다양한 분야에서 약 28만개의 새로운 일자리를 직접 창출할 것이며, 이중에서 약 14만개는 부가가치가 높은 일자리로서 영구적으로 지속될 것으로 추정하고 있다. 이외에도 유무형의 간접적인 일자리 창출에도 상당히 영향을 미칠 것으로 전망하고 있다.
2) 유럽의 스마트그리드
유럽은 온실가스 감축에 대하여 세계적으로 선도적으로 대응하며 자국이 산업경쟁력 우위에 있는 풍력, 태양광 등 신·재생에너지의 지속적인 보급을 주장하여 왔다. EU는 재생에너지 보급로드맵을 통해 2020년 까지 총 에너지 소비 중 재생에너지에 의한 비율을 20%까지 끌어올리겠다고 발표하였다. 영 국은 현재 70억 파운드를 투자해 20년까지 스마트 계량기 보급 계획을 추진하고 있으며 독일은 MMREGIO(Minimum Emissions Region)프로젝트를 통해 최적의 전력망을 구축해 CO2 배출량 제로를 목표로 하고 있다. 또한 칼스루에
(Karlsruhe) - 슈투트가르트(Stuttgart)지역에서 시범운영 중이며 신·재생에너지 통합, 소비자에게 가격신호를 실시간으로 전송해주고 있다. 네덜란드는 암스테르담 지능형 도시 설립 계획을 하고 있으며 2025년까지 신·재생에너지 전력수요의 1/3 충당을 계획하고 있다. 핀란드는 300만가구중 20%가 이미 스마트 계량기를 설치하였으며 2013년 말에는 핀란드 가정의 80%를 스마트 계량기가 설치 될 것으로 예상하고 있다.
2.2 집단 열 공급 시설
2.2.1 지역냉난방사업의 도입배경
17)최근 산업의 발전 및 생활수준의 향상으로 전력소비량이 지속적으로 증가하 고 있다. 이를 해결하기 위해서 발전량은 지속적으로 증가되어야 하지만 교토 의정서에 의한 환경문제, 에너지부존자원이 절대적으로 부족한 우리나라는 전 력수급의 안정성을 확보하기 위해서는 공급과 소비 양면에 걸친 대책이 강화 되어야 하고 나아가 다양한 에너지원의 효율적인 활용 및 분산형전원의 개발 이 적극적으로 도입되는 추세이다.
이러한 추세에 의하여 분산형전원의 한 종류인 지역냉난방발전의 도입이 증 가되고 있다. 지역냉난방발전은 열과 전기를 동시에 생산하는 시스템으로서 전기와 열 생산의 적정비율을 감안하여 열병합발전 (CHP: Combined Heat and Power Generation)과 열전용보일러(PLB: Peak Load Boiler)를 운영중에 있다. 열과 전기를 동시에 생산하는 CHP는 에너지이용효율 향상, 에너지 절감 효과 등을 고려하여 운전해야 한다. 열을 담당하는 PLB는 연중 운영되는 것 이 아니라 동절기 즉, 열 수요증가시만 보조열원으로 가동되는 특성이 있다.
열을 저장하는 축열조에 저장을 할 수 있으며 부하는 변동에 따라 축방열운전 을 하고 있다. PLB와 축열조(ACC: Accumulator)는 적정용량을 산정하여 동 절기 열수요 증가에 따른 미상열원 차원에서 운영해야 하나, 현재는 그렇지 못하다.
지역냉난방사업은 난방용, 급탕용, 냉방용의 열 또는 열과 전기를 공급하는 사업으로서 자가소비량을 제외한 열생산용량이 시간당 500만kcal 이상이어야 17) 한국지역난방공사ᐧ에너지경제연구원, 지역난방 발전계획 수립에 관한 연구: 중간보고서,
1996, pp.31~44.
한다.
경제개발계획이 추진된 1960년대 이후부터 공업화의 이전에 따라 에너지 정 책에는 많은 변화가 있었다. 특히 1970년대 1ᐧ2차 석유파동과 1990년대 기후 변화협약의 발효에 따라 에너지 절약 개념에는 많은 변화가 생겨났다. 지역냉 난방사업도 이러한 시대적 환경변화와 에너지 절약정책의 변화에 따라 생성된 하나의 소산물이라 보아도 지나친 표현이 아닐 것이다.
정부는 1991년에 집단에너지사업법을 제정하고, 이 법에 의거 1992년 5월 23일 한국지역난방주식회사를 공공법인으로 전환하여 한국지역난방공사를 설 립하였다. 또한 1992년말 당시 보급률 3%인 지역난방을 2001년까지 총주택수 의 15%인 180만호까지 높이는 중장기계획을 수립하고 에너지 장기계획에 집 단에너지 공급계획을 반영하여 발전소 폐열, 산업폐열, 자원회수시설 폐열을 최대한 이용하도록 추진방향을 정했다.
지역냉난방사업을 함으로서 발생되는 사회적 편익은 다음 몇 가지를 들 수 있다.
- 에너지 이용효율 향상에 의한 대규모 에너지절감
- 연료사용량 감소 및 집중적인 환경관리로 대기환경 개선 - 24시간 연속난방에 의한 쾌적한 주거환경 조성 등 편의 제공 - 발전소 부지난 해소 및 송전손실 감소에 기여
- 지역냉방 공급을 통한 하절기 전력 첨두부하 완화에 기여
- 유연탄, 유류, 천연가스, 폐열, 쓰레기 소각열, 매립가스(LPG) 등 연료 다 원화에 의한 에너지수급의 용이성 및 미활용에너지 활용 증대
이 중 에너지 및 환경적 측면에서 가장 크게 나타나는 효과를 2가지로 요약 하면 첫째는 에너지 절감효과이고, 둘째는 대기환경 개선효과이다.
2.2.2 지역냉난방사업의 역사
우리나라 지역냉난방사업의 역사는 아직 일천하지만 시기별로 구분해보면 - 기반조성기, 정착기, 성장기 및 전환기- 대략 4가지로 요약해 볼 수 있다.
1970년대는 지역난방사업의 기반조성기라고 볼 수 있고, 1972년과 1976년에 이미 울산과 여천 석유화학단지에 집단에너지 공급방식이 도입되었고, 1978년 에는 동자부 발족과 함께 열병합발전을 이용한 지역난방시스템 도입에 따른 타당성조사가 시작되었다.
1980년대는 정착기로 볼 수 있다. 열병합발전에 의한 지역난방사업의 타당 성이 인정되어 목동지역에 이어 서울화력을 이용한 남서울 지역난방사업이 전 개되었다. 뿐만 아니라 정부는 수도권 지역의 아파트 건설을 계기로 지역난방 보급을 확대계획을 수립하게 됨에 따라 지역난방사업이 뿌리를 내리는 시기임 을 알 수 있다.
1990년대는 성장기로 볼 수 있다. 90년대 초반에 수도권지역에 열공급을 개 시하였고, 용인, 수서, 인천, 동수원, 대구지역, 청주지역 등으로 지역냉난방사 업이 확대되었다. 특히, 1994년에는 중국 산동성 청도시에 지역난방사업 합작 법인을 설립하여 해외사업 진출도 이루어졌다.
2000년대는 전환기로 볼 수 있을 것이다. 1990년대 이후 지역난방이 폭발적 으로 확대 보급되자 도시가스를 난방연료로 공급하려는 해당지역 도시가스 업 체들은 영업권 침해 등으로 생각하여 강력히 반발하고, 지역냉난방사업에 직 접 참여의사를 표시하고 있다. 실례로, 경동도시가스(주)에서 경상남도 양산 신도시지구에 지역냉난방사업허가를 취득하였으며, 삼천도리가스(주)에서 경기 도 용인동백지구에 지역냉난방사업허가를 취득하였으나, 두 사업자 모두 사업 권을 반납하였다. 또한 고객들로부터 양질의 서비스 욕구가 높아지고 있기 때 문에 각 부문의 경쟁력을 강화하고 에너지산업 구조개편과 같이하여 사업을
다각화하는 전환기로 표현할 수 있다.
2.2.3 지역냉난방사업의 국내ᐧ외 현황
가. 국내 지역냉난방 사업 도입현황
2002년말 기준 집단에너지사업 도입현황을 표 2.2에 나타내었다. 2002년 말 기준 집단에너지사업은 지역난방부문의 8개 사업자가 21개 지역에서, 산업단 지 부문의 19개 사업자가 20개 사업장에서 가동중이다.
구분 사업자수
(가동중)
사업자수 (지역수)
열 판매 현황
전기직판 업체수
공장수 주택호수
(천호)
난방 빌딩수
냉방 빌딩수
지역난방 8 21 - 1,164 2,493 351 -
산업단지 19 20 563 13 - - 156
계 27 41 563 1,177 2,493 351 156
[표 2.2] 집단에너지사업 도입현황
2002년말 기준 지역난방 공급현황을 표 2.3에 나타내었다. 지역난방부문은 21개 지역에서 8개 사업자가 공동주택 1,164천호 및 산업단지 인근의 공동주 택 13천호에 지역난방을 공급하고 있다. 서울시, 부산시, 한국지역난방공사 등 공공기관의 공급실적은 912천호로서 전체 지역난방공급 주택수의 77.5%에 해 당한다.
2002년말 기준 지역냉방 공급현황을 표 2.4에 나타내었다. 한국지역난방공사 사업지구에는 2002년말 기준 고양, 분당 등 9개 지역의 총 202개 건물에 지역 냉방열이 공급되어 총 73,057usRT의 흡수식냉동기가 가동중이다. 한국지역난 방공사를 제외한 사업자의 사업지구에는 2002년말 기준하여 서울시, 부산시,
한국 CES, LG파워, 안산도시개발 등 7개 사업자가 8개지역의 총 129개 건물 에 지역냉방열을 공급하여 총 59,454usRT의 흡수식냉동기가 가동중이다. 이 냉방공급용량을 전기냉방 기준으로 환산할 경우, 화력발전소가 약 341MW을 담당해야하는 냉방부하 수준이다.
No. 사업자 지역수 열공급실적 비고
(공급지역)
주택호수 빌딩수
1 한국지역난방공사 12 685,025 1,505 중앙 등 10개지역
2 서울시 2 196,311 272 강서, 노원
3 부산시 1 30,676 77 해운대
4 안산도시개발 1 26,452 41 안산고잔
5 한국CES 1 - 9 광주상무
6 LG파워(주) 2 215,964 531 안양, 부천
7 인천공항에너지(주) 1 4,094 17 인천국제공항
8 포스코 1 5,198 28 포항효자단지
지역난방부문 소계 21 1,163,720 2,480
9 오산에너지(주) 1 8,594 13 오산운암
10 에너지관리공단 1 3,036 - 대전 송강단지
11 사이스이천열병합발전소 1 1,530 - 이천 사동리 APT
산업단지부문 소계 3 13,160 13
합계 24 1,176,880 2,493
[표 2.3] 2002년 지역난방부문 사업자별 공급현황
No. 사업자 건물개소 건축연면적
(m2)
냉방면적 (m2)
냉동기용량 (usRT) 1 한국지역난방공사 202 3,813,408 1,650,119 73,057
2 서울시 18 305,791 182,641 7,746
3 부산시 2 40,050 13,962 905
4 안산도시개발 14 128,162 77,369 3,968
5 한국CES 6 85,318 44,695 2,659
6 LG파워(주) 91 1,069,951 545,263 25,558
7 인천공항에너지(주) 16 845,000 281,667 18,558
지역난방부문 소계 349 6,287,680 2,795,716 132,451
9 오산에너지(주) 2 7,342 920 60
합계 351 6,295,022 2,796,636 132,511
[표 2.4] 2002년 지역냉방부문 사업자별 공급현황
나. 해외 지역냉난방사업 현황
지역난방을 공급하고 있는 각 국가의 전반적인 지역난방 현황을 살펴보면 유럽국가 22개국 및 러시아, 미주지역에서는 미국과 캐나다가 지역난방을 보 급하고, 아시아지역에서는 한국ᐧ중국ᐧ일본이 지역난방을 보급하고 있다.
지역난방이 널리 보급된 유럽의 경우 2차례에 걸친 유가파동과 전력가격 불 안정으로 인하여 CHP 지역난방이 주춤했던 시기가 있었으나, 현재는 기후변 화 협약과 관련하여 온실가스 저감효과가 높은 CHP의 중요성이 부각되고 있 으며, 보급확대를 위한 정책적 지원과 기술적 지원이 확대되기 시작했으며, 신·재생에너지의 활용비율이 점차 증가하고 있는 추세이다. 유럽 국가들의 주 택난방방식별 점유율은 표 2.5과 같다.18)
북유럽을 중심으로 한 지역난방에서는 난방개념이 더 중요하지만, 미국을 포 함한 국가들의 냉방기술의 중요성이 더 크다. 현재 지역난방의 동향은 고효율 가스터빈, 신 연료와 관련된 과학기술을 통한 환경이득의 최적화를 추구하고 있다.19)
국가 지역난방 석유난방 가스난방 전기난방 기타
덴마크 48 18 4 30
핀란드 48.6 20 1.1 15.5 14.8
스웨덴 38 2 26 34(석유포함)
독일 12 32 40 6 10(석탄)
오스트리아 15.6 28.2 7.7 47.9
프랑스 6
네덜란드 3.4
스위스 2.6 65.4 19.5 5.9 6.6
노르웨이 0.25 11 0.08 69.6 19.07
러시아 70
아이슬란드 86
[표 2.5] 2001년 유럽국가 난방방식별 시장 점유율
18) EUROHEAT & POWER, District Heat in Europe, Country by country-2003 survey, 2003 19) 한국지역난방공사ᐧ한국과학기술원, 중장기 사용연료정책 연구, 2003, pp.126~127.
제3장 에너지 통합 운영 알고리즘 제안
3.1 에너지 통합 운영 시스템 개요
기존의 도시차원에서의 에너지 공급은 그림 3.1과 같이 플랜트는 있지만 통 합관리 운영을 하지 못했다. 또한, 도시내의 설치되어있는 플랜트와 각 발전의 분산 에너지의 생산량을 고려하지 못하여 신·재생에너지를 사용하면서도 효율 을 높이지 못했다. 그리고 열원공급 시스템은 도시 전역을 대상으로 하는 것 이 아니라 상업성을 우선하여 제한적으로 열밀도가 높은 아파트, 오피스 등의 밀집 지역만을 대상으로 열을 공급함으로서 에너지의 활용이 부족하였다.
[그림 3.1] 기존의 에너지 공급 시스템 개념도
(출처: 한국해양대학교 산학협력단, U-기반 차세대에너지 통합관리·운영시스템 기술 개발 1단계 연구결과보고서, 2010.04.29)
도시차원의 에너지 통합관리·운영시스템은 도시차원의 에너지 사용량 및 탄 소 배출량을 저감하기 위해 탄소 발생이 거의 없는 친환경에너지인 신․재생/
미활용 에너지를 이용하여 에너지를 생산․공급하는 에너지 플랜트를 도시 내 에 구축하고 이들 에너지의 정확한 수요예측과 에너지 사용량의 실시간 모니 터링을 통해 생산과 공급의 효율을 극대화하여 도시의 에너지 사용량 및 CO2
발생을 저감하고자 하는 시스템이다.
[그림 3.2] 도시 에너지 통합관리·운영 개념도
기존의 전기와 열원의 공급 시스템은 발전소에서 도시역의 변전소를 거쳐 각 사용자에게 공급되고 있고, 지역난방공사에 의해 운영되어 발전 플랜트에 서 사용자에게 공급되고 있다. 먼저, 기존에 변전소까지 대상이었던 전기 공급 은 도시 내의 전기 흐름에 대해서도 모니터링을 하고 제어를 하며, 국부적으로 공급되던 열원 공급은 도시 내의 플랜트를 연계하여 전기공급과 함께 모니터 링을 하여 제어한다. 전력과 열을 별도의 시스템으로 운전하였지만 본 연구에 서는 도시차원의 에너지에 대해 통합관리운영을 하고자 한다.
3.2 생산플랜트
20)3.2.1 태양광발전
태양의 빛에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 태양전지/발전시스템 기 술로서 태양의 복사에너지를 흡수하여 열에너지로 변환하여 이용하는 태양열 발전과는 달리 태양광발전은 반도체 혹은 염료, 고분자 등의 물질로 이루어져 햇빛을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용하여 태양빛 을 바로 에너지의 한 형태인 전기를 직접 생산하는 기술이다.
가. 태양광발전시스템의 구성
[그림 3.3] 태양광발전의 원리 구성도
(출처: 태양광발전시스템 구성, http://blog.naver.com/hjo0075/150097336249)
20) 한국 신 생생에너지 협회 (http://www.knrea.or.kr)
태양광발전(PV, Photovoltaic)은 무한정, 무공해의 태양에너지를 직접 전기에 너지로 변환하는 발전방식으로 빛을 받아서 전기로 전환시켜 주는 태양전지 (모듈)와 생산된 전기를 수요에 맞도록 교류로 변환시키고 전력계통에 연결시 켜주는 인버터, 축전장치 및 전력변환장치로 구성 된다.
나. 태양광발전시스템의 종류
[그림 3.4] 태양광 발전 시스템의 분류
태양광 발전시스템은 태양빛이 공급되는 낮에만 발전할 수 있고, 밤에는 발 전할 수 없는 단점이 있어 시스템 구성이나 부하의 종류에 따라서 독립형이나 계통연계형, 그리고 하이브리드형 시스템으로 분류한다.
다. 태양전지21)
21) 삼성SDI, [삼성SDI가 밝히는 더 밝은 미래] 태양 전지 원리와 종류, 내용참조 (http://blog.naver.com/sdibattery?Redirect=Log&logNo=60144936838)
태양전지는 광전 효과를 이용하여 전기 에너지를 생산해 낸다. 태양 전지에 태양광이 입사하면 되면 n-형 반도체, p-형 반도체에서 전자와 홀이 생성이 되고 이 생성된 전자와 홀이 전극으로 이동하게 됩니다. 이때 전극을 서로 연 결해 주면 전자가 이동하여 전기가 흐르게 된다.
[그림 3.5] 태양전지의 원리
태양전지의 종류는 다음과 같이 나누어진다. 주위에서 가장 쉽게 볼 수 있는 결정형 태양 전지부터 박막계 태양전지 CIGS, 차세대 태양전지인 DSSC까지 다양한 종류의 태양 전지들이 있다.
[그림 3.6] 태양전지 종류
태양전지는 발전 원가가 하락하는 유일한 전력원이다. 또한 발전소를 건설하 게 되면 무한한 자원인 태양광을 이용하여 전력을 생산하기 때문에 유지 보수 비용 이외의 비용이 들지 않는다. 그리고 원자력 에너지와 다르게 안전한 에 너지이고, 친환경 에너지 이다.
이러한 태양전지를 이용하는 태양광발전의 특징은 에너지원이 청정·무제한 이고, 필요한 장소에서 필요량이 발전가능하고, 유지보수가 용이하며 무인화가 가능하고 20년 이상 사용이 가능한 장수명이라는 장점들이 있다. 그러나 전력 생산량이 지역별 일사량에 의존해야 하고, 에너지밀도가 낮아 큰 설치면적 필 요하므로 설치장소가 한정적이며, 시스템 비용이 고가로 초기투자비와 발전단 가가 높아 사용할 때에 이러한 부분들이 고려되어져야 한다.
3.2.2 풍력발전
22)풍력에너지는 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 유도전기를 전력
22) 박종웅, 김석완 저(2010), 『에너지학 개론』, 동화기술, p122
계통이나 수요자에게 공급하는 것으로서 풍력발전이 이에 해당한다. 즉 풍력 발전이란 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 회전자(Rotor)를 회전시켜 기계적인 에너지로 변환시키고, 이 기계적 인 에너지에 의해서 생성되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술이다. 이러한 과정에서 바람의 운동에너지를 날개(바람개비)를 사용해서 전기에너지로 바꾸는데, 이때 날개의 이론상 바람에너지 중에 59.5%만이 전기 에너지로 바뀔 수 있는데, 이것도 날개의 형상에 따른 효율과 기계적인 마찰, 발전기의 효율 등을 고려하면 실제적으로 20 ~ 40%만이 전기에너지로 이용가 능하다.
풍력발전시스템은 풍력이 가진 에너지를 흡수 변환하는 운동량 변환장치, 동 력전달장치, 동력변환장치 등으로 구성되어 있으며, 각 구성요소들은 독립적으 로 그 기능을 발휘하지 못하며 상호 연관되어 전체적인 시스템으로서의 기능 을 수행하게 되는 일체형 시스템이다.23)
[그림 3.7] 풍력발전시스템의 구성 (출처: 한국 신·재생에너지협회)
풍력발전기는 날개의 회전축 방향에 따라 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어있는 수직축 발전기와 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평축 발전기로 구분하며, 수직축은 바람의 방향에 관계가 없어 사막이나 평 원에 많이 설치하여 이용 가능하지만 소재가 비싸고 수평축 풍차에 비해 효율 이 떨어지는 단점이 있다. 수평축은 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하나 바람의 방향에 영향을 받는다. 따라서 중대형급 이상은 수평축을 사
23) 박종웅, 김석완 저(2010), 『에너지학 개론』, 동화기술, pp125~126
용하고, 100kW급 이하 소형은 수직축이 사용된다. 운전방식에 따라서는 기어 형과 기어리스형으로 구분한다.
구조상 분류(회전축 방향) -수평형 풍력시스템(HAWT) : 프로펠라형
-수직축 풍력시스템(VAWT) : 다리우스형, 사보니우스형 운전방식 -정속운전(fixed roter speed type) : 통상 기어
-가변속운전(variable roter speed type) : 통상 기어리스 구조상 분류 -Pitch(날개각) Controll
-Stall(失速) Controll
운전방식 -계통연계(유도발전기, 동기발전기)
-독립전원(동기발전기, 직류발전기)
[표 3.1] 풍력발전시스템의 분류 (출처: 에너지학 개론, p125)
또한 출력제어방식에 따라서 Pitch Control와 Stall Control으로 분류하고, Pitch Control 방식은 날개의 경사각(Pitch) 조절로 출력을 능동적 제어 하게 된다. 그리고 Stall Control 방식은 한계풍속 이상이 되었을 때 양력이 회전날 개에 작용하지 못하도록 날개의 공기역학적 형상에 의한 제어로 고효율 발전 이 가능하고, 기계적 링크가 없어 유지보수가 수월하다.
국내의 기술개발현황은 90년대 초에 대학과 연구원을 중심으로 기초연구 및 소형풍력시스템 연구를 시작한 이래 '90년대 중반부터 본격적으로 기술개발을 수행하였고, 수행과정과 개발현황은 다음과 같다.24)
- 1단계('88∼'91) 사업으로 전국 64개 기상청 산하 기상관측소, 일부 지역 의 도서 및 내륙 일부 지역에서 관측된 풍속과 풍향자료를 이용한 풍력자원 특성분석 이루어짐
- 1단계 사업기간에 한국과학기술원이 20㎾ 소형 수평축 풍력발전기를 국산 화하려는 연구개발을 시도하였고, 2단계('92∼'96) 사업기간에는 복합재료 분
24) 한국 신 재생에너지협회 http://www.knrea.or.kr/energy/energy04_2.asp
야의 전문업체인 한국화이바가 한국형 중형급 수직축 300㎾ 풍력 발전기개발 - 한국화이바에서 중대형급(750㎾급) Gearless Type (Direct Drive Generation)수평축 풍력발전기(블레이드) 개발 완료(2001년)
- 현재 3대 중점기 술개발과제로 기어드타입, 기어리스타입에서 750kW급 풍력발전기의 개발 시제품에 대해 실증 연구수행
ㆍ실증기간 : 2004.9 ∼2006.8 (2년)
- 1∼2MW급 중대형 풍력발전 시스템 개발 수행 중(2004년∼ ) - 해상풍력 실증연구단지 조성연구 수행중
ㆍ실증기간 : 2005.12 ∼2009.12 (4년)
유럽에서는 1980년대 초부터 풍력발전의 제작기술이 급속히 발전하여 독일 의 독일선급협회(Germanischer Lloyd), 덴마크의 노르웨이 선급협회(DNV:
Det Norske Veritas) 및 덴마크 국립 에너지연구소(RISO) 등에서 설계인증ㆍ 검증, 성능평가기준을 제시하고 있으며 국제 에너지 기구(IEA: International Energy Agency)에서는 풍력발전에 관한 국제규정을 마련하고 있는 단계이다.
3.2.3 소수력
25)물은 중력의 영향을 받아 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다. 그 흐름을 수로 로 끌어들여 수차발전기를 회정시켜 전기에너지를 발생시키는 것이 수력발전 (hydropower generation)이다. 즉 수력발전은 높은 위치에 있는 하천이나 저수 지 물의 위치에너지인 낙차를 이용하여 수차에 회전력을 발생시키고, 수차와 직결되어 있는 발전기에 의해서 전기에너지로 변환시키는 것을 말한다. 수차 를 회전시키는 물의 유량이 많고, 낙차가 클수록 발전설비의 용량이 커지고 전력량도 그 만큼 많아진다. 이러한 수력발전의 구조와 에너지 흐름은 그림
25) 박종웅, 김석완 저(2010), 『에너지학 개론』, 동화기술, pp117~121
3.8, 그림 3.9와 같다.
국내에서는 이러한 수력을 신·재생에너지로서 2005년도 이전에는 설비용량 10,000kw 이하의 수력발전을 기준으로 소수력(small hydropower)과 수력 (hydropower)으로 구분하였으나, 2005년도에 개정된 신에너지 및 재생에너지 개발이용보급시행규칙에서는 설비용량이 삭제되어 ‘물의 유동에너지를 변환시 켜 전기를 생산하는 설비’로 일원화 하였다.
[그림 3.8] 수력발전의 구조 (출처: 한국 신·재생에너지협회)
[그림 3.9] 수력발전의 에너지 흐름 (출처: 에너지관리공단)
국내 소수력발전은 ’82년 이후 정부의 지원으로 현재까지 40개 지역(시설용 량 약 53,408kW)에 설치되었으며, 연간 전력생산량은 약 1억 kWh에 달하고 있다. 특히 소수력발전은 전력 생산 외에 농업용 저수지, 농업용 보, 하수처리 장, 정수장, 다목적댐의 용수로 등에도 적용할 수 있는 점을 감안할 때 국내의 개발 잠재량은 풍부하며, 또한 청정자원으로서 개발할 가치가 큰 부존자원으 로 평가받고 있다.
소수력 발전의 경우에는 소규모 하천의 물을 인공적으로 유도하여 저낙차 터빈을 이용한 발전방식으로 설비용량, 낙차 및 발전방식에 따라 분류한다.
분류 비고
설비용량
-Micro hydropower -Mini hydropower -Small hydropower
-100kW 미만 -100~1,000kW -1,000~10,000kW
국내의 경우 대부분 토건비 부담으로 터널식보다 경제성 이 있는 기존에 설치되어 있 는 댐식을 주로 이용 낙차
-저낙차(Low heaad) -중낙차(Medium head) -고낙차(High head)
-2~20m -20~150m -150m 이상
발전방식
수로식(run-of-river type) 하천경사가 급한 중·상류지역 댐식(Storage type) 하천경사가 작고
유량이 큰 지점 터널식(Tunnel type) 하천의 형태가
오메가(Ω)인 지점
[표 3.2] 소수력 발전의 분류 (출처: 에너지관리공단)
소수력의 발전 잠재력은 우리나라의 경우 연평균 강수량이 1,245mm로서 강 수량이 풍부하고 전국토의 2/3가 산지로 구성되어 있어 지형에 맞는 치수사업 으로 댐이나 저수지를 건설하여 생활용수나 공업용수, 관개용수, 하천유지용 수, 수력발전 등으로 이용하고 있으며, 일반하천의 낙차이용, 다목적댐 및 양 수발전소의 수위 조절을 위한 낙차이용, 농업용 저수지의 낮차이용, 하수종말 처리장의 방류수 이용, 수도관로의 관압이용, 화력발전소의 온배수 이용, 양어 장의 순환수 이용, 공장의 냉각수 이용, 방조제 수문 이용 등 각 지역에 산재 한 미활용 소수력 자원이 많이 존재하고 있어 앞으로 이를 활용한 에너지원의 개발이 요구되고 있다. 이러한 개발되지 않은 부존자원을 활용하는 경우 소수 력의 잠재 생산량이 150만 kW가 되는 것으로 파악되고 있다.
